初中階段STEM課程設計初步探討

信疏桐 龐謙竺 柏毅

[摘 要]目前的中小學STEM課程開發與設計存在誤區。基于STEM理念的課程開發應在分析并遵循其本質特征的基礎上來進行，為此歸納了STEM課程的六大特質，并基于這些特質進行了以“降落傘制作”為主題的STEM課程，對其實施過程、評價方法、課堂效果等進行了初步探討。

[關鍵詞]初中；STEM；課程設計

大力培養創新型人才已成為各國促進經濟發展與科技進步，提升國際競爭力的重要戰略舉措。STEM課程作為一種培養學生創新思維的跨學科的新型課程，也越來越成為教育學界關注的重要話題之一。STEM課程區別于傳統的分科課程，它通常以目標為導向，引導學生進行工程設計。隨著STEM教育在國內逐漸興起，STEM課程開發也迎來了火爆的局面。我國已有多地區的中小學校開始逐步實施STEM課程的開發與教學。但是在如火如荼的STEM 課程開發的熱潮中，存在一些錯誤的做法，亂象也逐漸顯現。一些課程開發者沒有遵循教育規律，沒有分析STEM課程本身的特質，將STEM課程與學習3D打印機的使用方法、機器人編程設計等相混淆。為此，有必要從STEM課程特質的梳理開始，探討如何進行科學的“STEM課程設計”。

一、STEM課程及其特質

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、數學（Mathematics）、工程（Engineering）四門學科首字母的縮寫。STEM課程開發最早是由美國科學基金會發起，聯合眾多科學家、工程師、數學家等人在20世紀80年代末提出的一種新型學習方法，它不是傳統的單一課程學習，而是一種貫通各個學科的知識，以真實情景為背景，以問題為導向的系統的學習方法[1]。

因此，基于STEM課程的概念，研究者大多將其蘊含的特征歸結為以下幾個方面：跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性等[2]。根據這些特征，引用柏毅[3]等人觀點，可歸納出STEM課程的六大特質。

一是應包含S、T、E、M幾大要素。所謂“包含”，并不是簡單地將幾大元素組合起來，而是要將幾大元素融會貫通，融合成一個新的“后設學科”。

二是以工程設計為主導。目前的STEM課程大多以工程為主線、以科學為基礎、輔以技術與數學，這是因為工程設計過程更能有效地整合這四大要素，強化學習過程與結果。

三是關心現實問題，注意在真實情景中學習。現實問題可以提高學生的學習興趣，有利于建立課程與真實世界的聯系，實現更有目的的學習。

四是以學生為中心，主動實踐。STEM課程是一種以學生為中心，以教師為輔助者的課程，要求能夠使學生積極主動地加入課程學習。在此期間，教師要為學生搭建學習的“腳手架”，引導學生主動學習。

五是學生通過合作學習，參與整個過程。合作學習是STEM課程的重要組成部分，學生可以通過合作解決問題，加深對工程過程的理解，提高學習興趣，達到更好的學習效果。

六是結果開放，允許出現多種結果或答案。在課程中進行工程設計時，學生可能會提出不同見解和不同的設計，雖然結果可能與預期結論不符，甚至可能是錯誤的，但“試錯”卻是學生通過實踐自我提高的重要過程，因此教師要允許出現開放性的結果。

由此可以發現，僅將科技活動換一個名目，硬是將其稱作“STEM課程”的做法是不可取的。因為這些活動可能僅僅包含這六大特質中的一部分或者完全不具備STEM課程應有的特質，這樣開發出來的課程可以稱為“科技活動課”，但卻不是真正意義上的“STEM課程”。

二、基于六大特征進行的STEM課程設計簡述

基于以上六大特征設計STEM課程時，可參考以下基本脈絡：前瞻課程—活動課程（包含三節有獨立知識點的活動課）—總結課程。在此，以江蘇省太倉市第一中學初一年級“降落傘制作”項目為例，對課程的設計與實施進行說明。“降落傘制作”項目是由東南大學兒童發展與學習科學教育部重點實驗室主導，聯合太倉市第一中學共同開發的。該項目針對初中一年級學生，嘗試通過STEM課程對其跨學科綜合能力進行鍛煉與提升。在前瞻課程中，教師要提供相關科技材料供學生閱讀，目的是考查學生的前概念，了解學生的知識或經驗基礎，以便可以根據學生的實際情況對課程重點進行調整。在“降落傘制作”項目中，教師提供了如下前瞻材料。

達·芬奇于1483年在一個記事薄上繪制了人類第一個降落傘的設計圖。他設計的降落傘和現代降落傘并不相同，它包含4個等邊三角形，每條邊長達7米，設計草圖中還包含一些木頭框架，它的外形看起來像是一個金字塔。達·芬奇在這張圖旁邊寫道：“如果有人用一大幅涂上樹膠的麻布，每邊長12碼（約10.97米），高12碼，那么不論他從多高處跳下來，都不會受傷”。

教師根據這一材料提出的問題是：請你思考一下，達·芬奇的設計是否可行？并說出理由。在上課之前，研究人員曾預測：當代初中生已經具備了一定的科學素養，因此他們給出比較科學的回答，即能夠簡要描述文字材料中所提出的降落傘模型是否可行，并提供能夠支持其結論的依據。之后，組織實施這一課程的教師與研究人員對學生的答案進行了匯總與分析，發現結果并沒有如研究者所預測的那樣。當教師請學生分析達·芬奇的設計是否可行時，學生的回答五花八門，十分出人意料。如“木頭框架要砸死人的”“涂上樹膠的麻布會被戳破的”“不可行，因為從來就沒有看見過現代降落傘是這個樣子的”，等等。并且幾乎所有學生都認為達·芬奇的設計“不可行”，而判斷“不可行”的依據僅僅是從個人主觀推斷或經驗得出的。這樣，從課程試講階段前瞻課程的結果可以看出，剛剛接觸STEM課程的初一學生的科學素養水平較低。

對學生的回答進行進一步分析可以發現，學生主要缺乏的是一些基礎科學知識與基本的科學素養，綜合能力有待提高。教授這門課程的太倉一中的葉耀老師認為，學生出現這種回答，其根本原因是缺乏“科學閱讀”的基本素養。

在試講結束后，葉耀老師在對課堂活動進行總結時提到：一線教師通過多年的教學實踐發現，學生在初中階段數理化各學科的學習中，“讀題”一直是一個大問題。有些學生無法從題目中提取有效信息，進而導致無法運用已經掌握的知識來解答問題或得出正確結論。因此，學生能否通過材料獲得有價值的信息，即學生閱讀時的目光是否停留在有效信息上，也是決定學生能否高效率地開展STEM活動的基礎。

在第二堂課上，為了能夠提高學生的閱讀效率，教師與研究人員通過對學生提出以下要求加以引導：第一步，將你認為的材料中的核心詞組標識出來；第二步，將劃出的核心詞組分類；第三步，將核心詞組歸為“目的”與“條件”兩類；第四步，判斷利用所列出的“條件”能否達到“目的”。通過這些步驟，學生認識到問題中的“無論從多高處跳下來都不至于受傷”才是關鍵。這時，當學生再次圍繞閱讀材料回答問題時，也就能夠由“經驗之談”轉向“由材料所推導的結論”。在前瞻課程的最后，教師要求學生制作一個初步的降落傘模型，并思考哪些因素會影響降落傘的性能。

在此基礎上，任課教師提供了相關微視頻，使學生可以學習“自由落體由于重力加速”“空氣阻力與面積、速度有關”等科學知識，幫助學生認識“力對速度改變的貢獻”。之后的課程，針對學生提出的影響降落傘性能的幾個可能因素，由學生親自一一測試并探討。這個過程持續了整個學期，學生在學期結束之前要完成最終的工程任務，即小組合作制作一個降落傘并能實現以下功能：將一個雞蛋放在降落傘上并讓降落傘從四樓的高度自由落體至地面時，雞蛋不會損壞。學生就這一主題進行了合作，最后統一測試，并匯報了測試結果（包括工程圖紙、小組合作分工說明、測試視頻、測試數據、測試結論等）。

“降落傘制作”的STEM課程，以達·芬奇的設計為指引，突出了真實情境的工程設計，并且包含了STEM的全部要素，以學生為中心進行了合作學習，在設計中并不要求答案唯一，學生可以根據自己對降落傘的理解進行設計制作，最終通過測試來選出最優方案。本課程也包含了STEM課程所應具備的全部六大特征。

三、課程實施過程與課堂評價過程簡述

經過前瞻課程的工程合作，學生們大致可以發現，影響降落傘性能的因素主要是降落傘的傘面面積、傘面形狀、傘繩長度等。因此，之后的課程學習便圍繞這三點進行了系統科學的論證。

課堂也并不僅僅是學生開展合作探究活動的地方，還是對學生能力進行評價的場所。要了解一個學生的“STEM能力”（即綜合運用科學、技術、工程、數學等跨學科知識的能力）究竟如何以及通過課程學習后這種能力是否有所提高，就要在課堂活動過程中進行評價。這種在課堂活動過程中進行的評價與學期末的總結性評價相互補充，可以提升評價的準確性與完整性。

在STEM課堂上使用的評價方法是基于工程活動過程的形成性評價[4]，在“降落傘制作”的STEM課程評價量規中，采用了五點計分法（0-4）評價學生的六個方面：識別問題、創建設計（藍圖）、建立模型、檢驗和搜集數據、分析數據與再設計、交流結果（匯報與建議書）。為了使評價更加明晰，嘗試了將評價標準以雷達圖的形式呈現（見圖1）。以學生在以上六個方面的表現為不同維度，通過對每個學生的分數評定，將學生在各維度上獲得的評價分數繪制在圖中，便可以清晰地了解學生的能力分布情況了。

如圖1，是一名學生在一學期結束時，教師根據其表現畫出的六維能力分布圖。在前瞻課程（第一堂課）中，對于“達·芬奇的設計是否可行”這一問題，這名學生給出的回答是“可行。因為下降時空氣會進入麻布里，從而造成阻力，使得降落傘速度變慢，所以是可行的”。這個答案準確地識別出了問題的關鍵是要考慮降落傘對從高處降落的人的影響，而不是諸如“麻布會被戳破因此不可行”這種淺表的問題，因此獲得了滿分（4分）。在之后的課堂活動中，這名學生在繪制藍圖、建立模型的過程中也表現出了較好的能力。因此任課教師與研究人員一致認為，該生在這兩項中也可以得到高分。而在檢驗和搜集數據這一項，這名學生記錄數據的方式不太合理，數據結構混亂，得到的評價分數較低。但是經過小組討論之后進行再次數據收集與分析時，該生能夠吸取經驗，改善了數據記錄方法，因此又得到一個較高的評價。最后在交流結果時，由于這名學生比較內向膽小，表達時不夠流暢，因此評價分數較低。

通過這樣的能力分布圖，教師可以在每一個活動結束后完成對學生的形成性評價，使每個學生的優勢與不足都可一目了然，同時也得出了學生在本學期的STEM課程中能力發展的情況。“降落傘制作”的課程設計也完全包含了這張評價表所要評價的內容。例如，學生需要識別出每堂課的重點內容，如果某一堂課以研究降落傘傘面的面積為主題，而學生探究的卻是傘面的形狀，則說明他們沒有準確識別問題；之后針對每堂課的工程任務，學生要設計藍圖、建立模型、收集數據、得出結論、交流匯報。這些都可以通過這樣的評分標準進行評測。

四、結論

STEM課堂作為一種新型課堂，要求學生通過跨學科項目任務的完成來獲得知識和發展能力，顯然轉變傳統的課堂教學形式是實現STEM教育功能的重要基礎[5]，而僅僅通過改變課堂內容是無法滿足要求的。有些教師在STEM課程開發中更多地關注了科技本身，錯誤地認為只要運用了足夠高科技的硬件設備，就可以稱之為STEM課程，這也是STEM課程設計中最大的誤區。

從“降落傘制作”的課例來看，顯然并不屬于高科技的主題。高科技固然也可以成為STEM課程涉及和表現的一個方面，但是從簡單的隨處可見的生活事物中也能提煉出STEM課程的主題，并且可能更加符合STEM課程的特質，更有利于實施真正的STEM教育。

參考文獻

[1]Ong F， McLean J. Innovate：a Blueprint of Science， Technology， Engineering，and Mathematics in California public education[R]. California：California Dedicated to Education Foundation. 2014.

[2]余勝泉，胡翔. STEM 教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（4）：13-21.

[3][4]柏毅，葉耀，等.對STEM教育熱潮的冷靜分析與課程實施建議[J].基礎教育參考，2018（5）：3-9.

[5]董澤華.試論我國中小學實施STEM 課程的困境與對策[J].全球教育展望，2016（12）：36-62.

（責任編輯 郭向和）